Dissertação
{en_GB=Sizing and Integration of an Electric Propulsion System for a VTOL UAV} {} EVALUATED
{pt=As vantagens dos sistemas de propulsão de VTOL (vertical take-off and landing) elétricos levaram ao desenvolvimento de veículos aéreos não tripulados (UAVs) com essa capacidade. Esta tese apresenta o design do sistema de propulsão de quatro UAVs e-VTOL, avaliando a massa e o consumo de energia das configurações lift-and-cruise e vectored-thrust. Com o objetivo de diminuir a interferência magnética, o estudo da distribuição assimétrica de propulsão para quadrotores e trirrotores foi realizado, concluindo que para a missão definida, o uso de menos motores tem um impacto maior no peso total do sistema do que a eficiência das configurações, tornando a configuração vectored-thrust tri-rotor a de melhor desempenho. Em relação à eficiência, verificou-se que dimensionar o sistema para VTOL, rodando os rotores traseiros para voo retilíneo não tem um impacto negativo na energia necessária para a missão. Adicionalmente, foram realizados estudos sobre a interferência asa-rotor, determinando que, para uma força necessária dos rotores, a distância mínima entre as superfícies pode ser calculada conhecendo a percentagem de área coberta do rotor. Os métodos aplicados para a escolha do sistema de propulsão incluem vortex propeller theory e a teoria da hélice de Corke, enquanto que a interferência asa-rotor foi estimada com estudos CFD. O desempenho estimado das configurações foi então comparado com o seu desempenho experimental através de testes estáticos, tendo-se obtido resultados semelhantes. Finalmente, um modelo dinâmico foi desenvolvido, confirmando que as configurações eram estáveis e controláveis, antes da realização de um voo pairado da aeronave desenvolvida., en=The advantages of electric vertical take-off and landing (e-VTOL) propulsion systems for military applications have led to the development of unmanned aerial vehicles (UAVs) with this capability. This thesis presents the propulsion system sizing of four e-VTOL UAVs, assessing the mass, power consumption, and installed power for lift-and-cruise and vectored-thrust configurations, for a magnetic anomaly detection application. A study of asymmetric thrust distributions for quadrotors and tri-rotors was performed in order to decrease magnetic interference, concluding that for the defined mission, the use of fewer motors has a higher impact on the total system weight than the efficiency of the configurations, making the vectored-thrust tri-rotor configuration the best performing of all. Regarding efficiency, it was found that sizing the system for VTOL and tilting the rear rotors for forward-flight does not have a negative impact on the required energy for the mission. Additionally, studies on wing-rotor interference were conducted, determining that, for a required minimum relative net force from the rotors, a minimum distance between surfaces can be calculated knowing the percentage of rotor covered area. The methods applied for propulsion sizing include vortex theory and Corke’s empirical method, while CFD studies were completed to determine wing-rotor interference. The estimated performance of the configurations was then compared with their experimental performance through static tests, rendering similar results.Finally, a dynamic model was developed, confirming the configurations were stable and controllable, prior to an indoor hover test of the manufactured UAV.}
janeiro 26, 2021, 18:30
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